PN结器件电流—电压特性

1、实验一 PN结器件电流电压特性一、基本原理 PN结是半导体结型器件的核心，是IC电路的最基本单元，诸多半导体器件都是由PN结组成的。最简单的结型器件是半导体二极管，根据不同场合的用途，使用不同掺杂及材料制备工艺制成多种二极管，如整流二极管、检波二极管、光电二极管（发光二极管、光敏二极管）等；三极管与结型晶体管就是由两个PN结构成的。因此深入了解与掌握PN结的基本特性，是掌握与应用晶体管等结型器件的基础。 PN结的最重要特性是单向导电性，即具有整流特性。也就是说，正向表现低阻性，反向为高阻性。若在PN结上加上正向偏压（P区接正电压、N区接负电压）则电流与电压呈指数关系，如下式 （） 式中q是电子

2、电荷，K是波尔兹曼常数，T是工作温度（K），V是外加电压，n是复合因子，根据实际测量曲线求出。随着电压缓慢升高，电流从小急剧增大，按指数规律递增。 对于用-族宽禁带材料制成的发光二极管而言，当外加电压V < 0.5 V、电流很小时（I < 0.1 mA）,则通过结内深能级复合占主导地位，这时n 2。随着外加电压的升高，PN结载流子注入以扩散电流起支配作用，I就急剧上升，这时n 1。根据实际测量I-V关系求得n值大小就可作为判断一个结型二极管优劣的标志。 如果PN结两边外加反向偏压（P区接负压、N区接正电压）这时在PN结空间电荷层内载流子的漂移运动大于扩散运动。（从P区内电子向N区运

3、动，N区内空穴向P区运动）从而空间电荷层展宽，载流子浓度低于热平衡状态下平衡浓度。反向PN结在反偏压比较大时空间电荷区宽度 （） 式中，为自由空间电容率，介电常数，N0为PN结低掺杂边的凈杂质浓度。所以在外加反向偏压V < VB（反向击穿电压）时，电流I值很小，反向偏置PN结电流很小、表现很高电阻性。 当反向偏压一旦增加到某一定值VB ，则反向电流瞬间骤然急速增大（如图所示），这现象叫做PN结的击穿，VB称为击穿电压。 PN结之所以在正向、反向偏置下表现出不同的电流-电压特征，主要取决于其不同的掺杂（内因），在外加偏压作用下（外因）而引起的，外加电压是通过PN结起作用的。事实上，不同PN

4、结反向击穿可表现为热引起击穿 热击穿，电压作用引起的击穿 电击穿，以及这两种过程相互影响的热 - 电击穿现象。单电击穿就有雪崩击穿与隧道击穿（又称齐纳击穿）两种之分。作为整流器使用的二极管，工作电压的交流峰值务必小于击穿电压VB ；否则PN结就会破坏。击穿现象虽有不利的一方面，但我们可利用击穿电压附近电流急剧变化的特性制成雪崩渡越（PIN）二极管用于光接收，隧道二极管的微波功率源以实现微波振荡。对于三极管中浅结扩散、收集结可近似看成单边突变结，其结区击穿电压大小取决于低掺杂一侧杂质浓度。 二、发光二极管（LED）电流- 电压特性 具有PN结结构的发光二极管伏安特性同普通整流二极管相似，如图。

5、根据外加电压的大小与流过PN结电流及其对发光性能的影响，I-V关系曲线可分成四个区。1） 正向死区 当外偏压小于开通电压VF ，克服不同PN结附近因浓度梯度而扩散形成的势垒电场。 此时，PN结仍呈现较大电阻值、正向电流很小，故0a段称为正向死区。LED开通电压随不同材料而异，GaAs的LED为1.0V, GaAs1-xPx为1.5-1.8V, Ga1-xAlxAs为2.0V,GaP为2.2V 左右 。 2） 正向工作区 当外加偏压超过开通电压VF时，足以克服PN结空间电荷区的势垒电场，致使正向电流迅速增大，从而使从N区注入的电子与从P区注入的空穴在结区附近复合发光，这时I-V关系满足（）式，伏

6、安曲线中a b段呈现陡增向上。3） 反向死区当在PN结外加反偏压，仅有少数载流子通过PN结形成反向电流，此称为反向饱和电流。根据（）式，设 qVF = 0.026eV,则IF = -IS ,如I-V曲线0c段。4） 反向击穿区 当反偏压继续增加，使VVB,则反向电流骤然增大，出现了上述所说PN结击穿现象，该电压对应电流区称为击穿区，如图cd段所示。三、实验目的要求1） 掌握PN结的基本原理及其电学性能。2） 了解JT-1图示仪的工作原理及其使用方法。3） 测量发光二极管与光电三极管的伏安特性，进一步验证I-V曲线变化规律。四、JT-1图示仪 组成 1） 阶梯波信号源： 包括阶梯波发生器与放大器

7、，通过阶梯选择开关对被测晶体管提供电流（压）源。 2） 集电极扫描电源：直接采用50 HZ市电经过全波整流后的脉动电压源，通过转换开关供给集电极扫描电压。 3） 显示部分：阴极射线示波管包括X、Y轴放大器及其控制电路。4） 被测部分：由测试台和各种控制转换开关，以进行各种电学参数测量。5） 电源部分。 五、测量1 打开电源，预热后，使示波屏上出现亮点，调整“辉度”适中，聚焦最佳。2 把“极性开关”转向“+”向。3 “峰值电压”范围选择0-20V。4 串联电阻调至1K，功耗限制电阻500。5 “Y轴作用”调至1（mA/度）。6 “X轴作用”为1伏/度。7 把发光二极管，插入“测试选择”中CE孔。 8 慢慢旋转“峰值电压”使屏幕上出现正向曲线。 9 测反向I-V曲线时，把极性转向“-” ，Y轴置于0.1，